等离子体概述PPT讲稿

等离子体物理学科发展简史
• 19世纪30年代起
– 放电管中电离气体，现象认识 – 建立等离子体物理基本理论框架
• 20世纪50年代起
– 受控热核聚变 – 空间技术 – 等离子体物理成为独立的分支学科
• 20世纪80年代起
– 气体放电和电弧技术发展应用 – 低温等离子体物理发展
等离子体物理研究领域
等离子体概述课件
第1.1节 什么是等离子体
固体 冰
液体 水
气体
水汽
等离子体
电离气体
00C
1000C
100000C
温度
1 eV=11600 K
两个概念：离解和电离
• 离解：当温度足够高时，构成分子中的原
子获得足够大的动能，开始彼此分离，这 一过程称为离解
• 电离：温度继续升高，原子的外层电子将
摆脱原子核的束缚而称为自由电子，同时， 失去电子的原子变成带正电的离子
展的展的的热的力热学力环学境环，境这，种这环种境环远境离远等离离等子离体子物体态物普态遍普存遍在存的在状的状 态。态因。而因，而天，然天等然离等子离体子就体只就能只存能在存于在远于离远人离群人的群地的方地，方以，闪以闪 电、电极、光极的光形的式形为式人为们人所们敬所畏敬、畏所、赞所叹赞。叹。
• 由地由球地表球面表向面外向，外等，离等子离体子是体几是乎几所乎有所可有见可物见质物的质存的在存形在式形，式，
极光、日光灯 电弧、碘钨灯
冷等离子体 Te≠Ti, Ta
热等离子体 Te＝Ti, Ta
聚变、太阳核心
低温
高温
等离子体 100000C 等离子体
电子温度
1eV
注意： 热等离子体指在接近大气压强情况下， 电子、离子、中性粒子通过剧烈碰撞达 到热平衡状态，又称近局域热力学平衡 等离子体
冷等离子体指在数百帕的低气压下由于 碰撞很少达不到热平衡状态，因此又称 非平衡等离子体
β =100% 完全电离等离子体
β ≥1% 强电离等离子体
β<1% 弱电离等离子体
3.根据三者温度关系分
等离子体包含两到三种不同组成粒子：自 由电子，带正电的离子和未电离的原子。 这使得我们针对不同的组分定义不同的 温度：电子温度和离子温度。轻度电离 的等离子体，离子温度一般远低于电子
3.根据三者温度关系分
– 粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒 子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽 场）的运动紧密耦合，不可分割。
– 集体效应起主导作用：等离子体中相互作用 的电磁力是长程的。
宇宙中90％物质处于等离子体态
• 人类人的类生的存生伴存随伴着随水着，水水，存水在存的在环的境环是境地是球地文球明文得明以得进以化进、化发、发
电离气体是一种常见的等离子体
普通气体
等离子体
放电
需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。
“电性”比“中性”更重要 ( 电离度 >10-4 )
放电是使气体转变成等离子体的一种常见人工形式
等离子体 电离气体
等离子体的概念
• 等离子体是物质存在（固、液、气体）的
第四种状态，是由大量带电粒子组成的非 束缚状态的宏观体系。
– 典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表 面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物 处理
– 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢 弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞 行器鞘套与尾迹
温度 (度)
等离子体参数空间
星云
太阳风 星际空间
日冕
霓虹灯 荧光
磁约束 聚变
氢弹
惯性聚变
太阳核心 闪电
气体 液体 固体
等离子体的特性
1.温度高，粒子动能大 2.作为带电粒子的集合体，具有类似金属
的导电性能。有时等离子体可看作导电 流体 3.化学性质活泼，容易发生化学反应 例如：将甲烷和氢气在密闭容器里混合 并使之放点，若温度适宜，在器壁上会 形成金钢石薄膜 4.发光特性，可用作光源
• 低温应用等离子体 • 高温聚变等离子体 • 空间和天体等离子体
第1.2节 等离子体的性质
等离子体与我们所熟悉的固液气体存在明显 差别。这三态只涉及分子间作用力，而等 离子体由气态转化时需要克服原子核对外 层电子的束缚，因此无论是成分还是性质 均有较大的差别
等离子态常被称为“超气态”，它和气体有 很多相似之处，比如：没有确定形状和体 积，具有流动性，但等离子也有很多独特 的性质。等离子体中的粒子具有群体效应，
高位能高动能的自由电子。
• 朗缪尔（L.Langmuir）和汤克斯(L.Tonks)首先引入等离子体
（ Plasma ）这个名称。
第1.1节 什么是等离子体
• 由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系
– 非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”， 等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子 （电子、离子），而不是其结合体。
北极光
火焰
人类居住环境
密度(cm-3)
Βιβλιοθήκη Baidu 等离子体的分类
1.按存在分： 天然等离子体：太阳、恒星、星云、极光、 雷电等
人工等离子体：日光灯、霓虹灯、电火花、 电弧等
2.按电离度分： 等离子体：电子(ne )、正离子(离子 ni)、
中性粒子（分子、原子、原子团na）, 由准电中性： ne≈ ni
定义：电离度β= ne/(ne+na) 分母为电离前分子的密度
大气大外气侧外的侧电的离电层离、层日、地日空地间空的间太的阳太风阳、风太、阳太日阳冕日、冕太、阳太内阳部内、部、 星际星空际间空、间星、云星及云星及团星，团毫，无毫例无外例的外都的是都等是离等子离体子。体。
宇宙中90％物质处于等离子体态
• 地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的
周围。
– 日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示 屏、臭氧发生器
• 注：有的书上也表述成：或正离子和电子
的密度大致相等的电离气体
维基百科
• 等离子体（Plasma）是一种由自由电子和带电离子为主要成
分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四 态，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。 等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。 等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家 欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首次将Plasma一词引入物理 学，用来描述气体放电管里的物质形态[1]，Plasma是源自希 腊文，意为可形塑的物体，此字有随着容器形状改变自身形 状之意，如灯管中的等离子体会随着灯管的形状改变自身的 形状。 严格来说，等离子体是具有高位能动能的气体团， 等离子体的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将 外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为